CN111443438A - 基于音圈电机驱动的透镜耦合设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，包括透镜上料组件、透镜夹取组件、光器件固定台、耦合检测组件和视觉检测组件，透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将透镜上料，透镜夹取组件将透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至光器件固定台上对应的封装位置，与固定在光器件固定台上的发光元件的发光芯片耦合，耦合检测组件通过光斑检测确认透镜与发光芯片的耦合精度。其中透镜夹取组件的透镜夹具通过音圈电机驱动，具有结构简单、体积小、响应快的特点，适用于微型化透镜的夹具，同时还能高精度地控制夹持力，提升透镜的夹持及耦合精度。

Description

基于音圈电机驱动的透镜耦合设备

技术领域

本发明涉及光器件自动耦合封装技术领域，特别涉及一种基于音圈电机驱动的透镜耦合设备。

背景技术

随着光纤通信和光纤传感技术的发展，光器件的制备成为了光信息技术进步的关键。在光通信产品中，发光元件的需求量越来越多，它的功能主要是实现信号的光电转换。一种常见的发光元件主要由基板+发光芯片+透镜组成，其封装制造的其中一道工序为将微型透镜与发光芯片耦合后，再通过点胶固化等方式完成封装。而如何提高光器件的性能、质量以及降低成本，是当前工业上封装制造的关键问题，其核心技术在于元件的耦合，光器件的制造成本主要也集中在此。

现有技术中，通过光器件的耦合封装设备，基本摆脱了先前依靠手工操作方式带来的产品质量不稳定、合格率低以及生产效率低的问题。对于上述发光元件，将透镜上料、夹持并移动至封装位置后，可采用发光芯片与透镜的光斑检测确认透镜的耦合精度，最后对透镜点胶固化完成其耦合封装过程。因此，透镜耦合的精度显著地影响上述发光元件的封装质量，由于透镜一般为尺寸小于1mm的微型透镜，使得其储料、上料以及耦合过程更加精密复杂化，而采用常规的耦合夹具难以满足封装精度要求，且生产效率不高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于发光元件透镜耦合的设备，适用于微型化、精密化的透镜耦合封装工艺，以提升透镜耦合精度、产品封装质量和生产效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，透镜由方形部分和从所述方形部分沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分组成，设备包括透镜上料组件、透镜夹取组件、光器件固定台、耦合检测组件和视觉检测组件，所述透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将所述透镜上料，所述透镜夹取组件将所述透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至所述光器件固定台上对应的封装位置，与固定在所述光器件固定台上的发光元件的发光芯片耦合，所述耦合检测组件通过光斑检测确认所述透镜与所述发光芯片的耦合精度，所述视觉检测组件的视觉检测相机对准所述发光元件的耦合位置；

所述透镜夹取组件包括多维运动平台和设置在所述多维运动平台上的透镜夹具，所述透镜夹具主要由固定设置在所述多维运动平台上的夹具底座、平行设置在所述夹具底座上的两条导轨，第一端分别滑动设置在两条所述导轨上的两个连接部、以及分别固定设置在两个所述连接部第二端的透镜夹头组成，所述连接部分别通过设置在所述夹具底座上的两个音圈电机驱动。

进一步地，所述透镜夹具的连接部包括第一连接板和第二连接板，所述透镜夹头固定安装在所述第一连接板上，所述第一连接板固定安装在所述第二连接板上，所述第二连接板固定设置在一滑块上，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述第二连接板与对应的所述音圈电机的输出端连接；每个所述第二连接板上均设置有一光栅尺，所述光栅尺用于检测所述滑块在所述导轨上的位移量，每个所述第一连接板上均设置有一力传感器，所述力传感器用于检测所述第一连接板上的应力状况。

进一步地，所述透镜夹头相对的一侧为夹持面，所述夹持面上设置有夹持所述透镜的夹持口，所述夹持口上设置有多个具有真空吸附作用的微型气孔。

进一步地，所述多维运动平台具有六维的运动自由度，包括设置在工作台上的X轴位移平台、设置在所述X轴位移平台上的Y轴位移平台、设置在所述Y轴位移平台上的第一支撑板、设置在所述第一支撑板顶端的Z轴位移平台、设置在所述Z轴位移平台上的绕X轴旋转平台、设置在所述绕X轴旋转平台上的第二支撑板、设置在所述第二支撑板底端的绕Y轴旋转平台、以及设置在所述绕Y轴旋转平台上的绕Z轴旋转平台，所述夹具底座固定设置在所述绕Z轴旋转平台上。

进一步地，所述透镜上料组件主要由装料盒和拨料结构组成，所述装料盒的一侧成型有装载所述透镜的装料槽，所述透镜并排地放置于所述装料槽内，并被所述装料盒上设置的限位结构限制在所述装料槽中而防止从所述装料槽的侧面跑出，所述拨料结构包括拨料块和驱动所述拨料块移动的拨料块驱动部，所述拨料块插入所述装料槽中，所述装料槽的底部成型有一内槽，当所述透镜放置在所述装料槽中时，所述镜面部分悬空于所述内槽中。

进一步地，所述限位结构包括设置在所述装料槽的槽口两侧的两块限位板，两块所述限位板之间的距离小于所述装料槽以及所述方形部分的宽度，所述限位板的上表面设置为高度沿所述装料槽方向逐渐降低的斜面，所述拨料块设置为扁平状，宽度小于所述装料槽的宽度，所述拨料块的第一端伸入所述装料槽中，第二端通过一安装臂与所述拨料块驱动部连接，所述拨料块驱动部驱动所述拨料块的第一端沿所述装料槽移动。

进一步地，所述拨料块驱动部包括螺母丝杠副，所述丝杠转动设置在一导向槽内，与设置在所述导向槽一端的拨料电机连接，所述导向槽上滑动设置有一导向块，所述导向块与套设在所述丝杠上的所述螺母固定连接，所述安装臂固定安装在所述导向块上。

进一步地，所述耦合检测组件包括耦合检测相机，所述耦合检测相机的镜头对准所述发光元件的耦合位置，所述耦合检测相机滑动设置在一耦合检测导轨上，并通过平行设置在所述耦合检测导轨一侧的皮带驱动机构驱动。

进一步地，所述耦合检测导轨与被检测的所述发光芯片的激光射线共线设置，所述耦合检测相机为CMOS相机。

进一步地，所述视觉检测相机竖直设置在所述光器件固定台的正上方，所述视觉检测相机的镜头朝下对准所述发光元件，所述视觉检测相机设置在一位置调整平台上；所述位置调整平台包括连接臂，设置在所述连接臂第一端的X轴调整平台、设置在所述X轴调整平台底端的Y轴调整平台、以及设置在所述Y轴调整平台底端的Z轴调整平台，所述视觉检测相机固定设置在所述连接臂的第二端。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明将透镜自动上料，被透镜夹取组件依次装夹至发光元件的封装位置，自动完成耦合过程以及通过光斑检测调整、确认耦合精度，各组件设计合理，衔接配合紧凑，有效地提升了透镜耦合的精度和生产效率；

本发明透镜夹具的夹持动作通过音圈电机驱动，具有结构简单、体积小、响应快的特点，适用于微型化透镜的夹具，同时还设置有光栅尺和力传感器，能高精度地夹持定位透镜、调整夹持力，配合透镜夹头夹持面上的微型气孔，形成对透镜吸夹一体的定位方式，进一步提升了透镜的耦合精度；

本发明的透镜送料组件将微型透镜码垛装载在装料槽中，通过拨料结构将透镜逐个从装料槽的顶端拨出，被透镜夹具组件夹取、移动至对应的耦合位置进行耦合，适用于微型透镜的上料操作，同时装料槽中设置的内槽、透镜夹爪上设置的内圆弧面等均能防止透镜的的镜面部分在上料过程中发生摩擦、碰撞等现象导致破损；

本发明设置有可调整间距的耦合检测相机，通过光斑检测透镜是否摆正(无偏角)，以及透镜位置是否偏移，相比于固定检测光斑的形式，本发明设置的移动式耦合检测相机检测精度和可靠性更高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的透镜夹取组件结构示意图；

图3为本发明的透镜夹具结构示意图；

图4为本发明的透镜夹头和透镜耦合位置示意图；

图5为本发明的透镜上料组件结构示意图；

图6为本发明的装料盒结构示意图；

图7为本发明的耦合检测组件结构示意图；

图8为本发明的光斑检测原理示意图；

图9为本发明的视觉检测组件结构示意图。

【附图标记说明】

1-透镜；1a-方形部分；1b-镜面部分；2-透镜上料组件；21-装料盒；22-装料槽；23-拨料块；24-内槽；25-限位板；26-安装板；27-螺母；28-丝杠；29-导向槽；210-拨料电机；211-导向块；3-透镜夹取组件；31-多维运动平台；311-X轴位移平台；312-Y轴位移平台；313-第一支撑板；314-Z轴位移平台；315-绕X轴旋转平台；316-第二支撑板；317-绕Y轴旋转平台；318-绕Z轴旋转平台；32-透镜夹具；321-夹具底座；322-导轨；323-透镜夹头；3231-夹持面；3232-夹持口；3233-微型气孔；324-音圈电机；325-第一连接板；326-第二连接板；327-滑块；328-光栅尺；329-力传感器；4-光器件固定台；5-耦合检测组件；51-耦合检测相机；52-耦合检测导轨；53-皮带驱动机构；6-视觉检测组件；61-视觉检测相机；62-连接臂；63-X轴调整平台；64-Y轴调整平台；65-Z轴调整平台；7-发光元件；71-发光芯片；8-工作台。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参阅图4，在本实施例中，透镜1由方形部分1a和从方形部分1a沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分1b组成。如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，包括透镜上料组件2、透镜夹取组件3、光器件固定台4、耦合检测组件5和视觉检测组件6。透镜上料组件2内预装有多个透镜1，在封装流程中依次将透镜1依次上料，透镜夹取组件3将上料的透镜夹取并移动至光器件固定台4上发光元件7的耦合位置，由透镜夹取组件3的耦合动作与发光芯片71完成耦合。耦合检测组件5对准发光元件7，通过光斑检测确认透镜1与发光芯片71的耦合精度，视觉检测组件6的视觉检测相机61同时也对准发光元件7的耦合位置，通过图像监控透镜夹取组件3夹持透镜1的姿态和耦合动作，防止透镜1在耦合过程中触碰发光芯片71等造成破损。

同时如图2和图3所示，透镜夹取组件3包括多维运动平台31和设置在多维运动平台31上的透镜夹具32，透镜夹具32夹持透镜1后，在多维运动平台31的驱动下移动至耦合位置，再通过多维运动平台31输出的多自由度精密耦合运动完成透镜1与发光芯片71的耦合。其中，透镜夹具32主要由固定设置在多维运动平台31上的夹具底座321、平行设置在夹具底座321上的两条导轨322，第一端分别滑动设置在两条导轨322上的两个连接部、以及分别固定设置在两个连接部第二端的透镜夹头323组成，连接部分别通过设置在夹具底座321上的两个音圈电机324驱动而沿所在导轨322相向或背向滑动，产生夹持或松开透镜1的动作。

其中音圈电机324为现有技术中存在的一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单、体积小、响应快等特性，工作原理为通电线圈(导体)放在磁场内产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，基于此原理制造的音圈电机输出运动形式主要为直线或者圆弧，在本实施例中为直线。因而本发明的连接部通过音圈电机324的直线驱动沿导轨322高精度地滑动，带动两个透镜夹头323相向运动，产生夹持透镜1的动作，而透镜夹具32以及夹持的透镜1则通过多维运动平台31驱动产生多自由度、高精度的耦合运动，完成透镜1与发光芯片71的耦合。

进一步地，连接部包括第一连接板325和第二连接板326，透镜夹头323固定安装在第一连接板325的外端位置，而第一连接板325固定安装在第二连接板326的侧壁上，第二连接板326与滑动设置在导轨322上的滑块327固定连接，且第二连接板326与对应的音圈电机324输出端固定连接，因此音圈电机324输出直线位移，驱动第二连接板326、第一连接板325以及透镜夹头323的整体沿导轨322滑动。

更进一步地，每个第二连接板326上均设置有一光栅尺328，用于检测滑块327在导轨322上的位移，从而可以通过检测两个滑块327的位移，确认两个透镜夹头323之间的相对距离，以此精密地确认、调节夹紧力。同时，每个第一连接板325上均设置有一力传感器329，用于检测第一连接板325上的应力状况，因此可以高精度地检测透镜夹头323的受力状况，判断其是否产生了较大的瞬时冲击力，从而判断并尽量避免与耦合器件发生碰撞。

同时如图4所示，透镜夹头323相对的一侧为夹持面3231，在夹持面3231上设置有凹陷的、夹持透镜1的夹持口3232，同时夹持口3232上设置有多个具有真空吸附作用的微型气孔3233，当透镜1被夹持后，可通过真空吸附作用进一步地将其吸附在透镜夹头323上，提高对透镜1的约束力。

其中，多维运动平台31具有六维的运动自由度，包括设置在工作台8上的X轴位移平台311、设置在X轴位移平台311上的Y轴位移平台312、设置在Y轴位移平台312上的第一支撑板313、设置在第一支撑板313顶端的Z轴位移平台314、设置在Z轴位移平台314上的绕X轴旋转平台315、设置在绕X轴旋转平台315上的第二支撑板316、设置在第二支撑板316底端的绕Y轴旋转平台317、以及设置在绕Y轴旋转平台317上的绕Z轴旋转平台318，透镜夹具32的夹具底座321固定设置在绕Z轴旋转平台318上，因此透镜夹具32具有沿X轴、沿Y轴、沿Z轴的平移自由度，以及绕X轴、绕Y轴、绕Z轴的旋转自由度，通过六自由度的设置，提升了透镜夹具32位移、耦合的灵活性，同时各自由度运动平台均为精密运动平台，进一步提升了透镜1耦合精度。

同时如图5、图6所示，透镜上料组件2主要由装料盒21和拨料结构组成。其中，装料盒21的一侧成型有装载透镜1的装料槽22，微型透镜1(直径小于1mm)并排地码垛在装料槽22内，并被装料盒21上设置的限位结构限制在装料槽22中而防止装料盒21在竖放时从侧面跑出。拨料结构包括拨料块23和驱动拨料块23移动的拨料块驱动部，拨料块23插入装料槽22的底端，将透镜1向装料槽22的顶端拨动，使透镜1依次从装料盒21的顶端移出，并被透镜夹取组件3依次夹取、移动至对应的封装位置进行耦合。相适配地，在装料槽22的底部还设置一内槽24，当透镜1放置在装料槽22中时，透镜1的镜面部分1b悬空于内槽24中，而不与内槽24的底端或侧壁接触，使得透镜1的镜面部分1b在上料过程中不会发生摩擦损坏。

进一步地，限位结构包括设置在装料槽22槽口两侧的两块限位板25，两块限位板25内侧之间的距离小于装料槽22以及透镜1方形部分1a的宽度，因此可以防止透镜1沿装料槽22滑动时跑出。限位板25的上表面设置为高度沿装料槽22方向逐渐降低的斜面，能更好地引导拨料块23插入装料槽22中。拨料块23设置为扁平状，宽度小于装料槽22的宽度，在透镜1上料前拨料块23的第一端伸入装料槽22的最低位置，然后拨料块23向上移动，将透镜1从装料槽22的顶端依次拨出。其中，拨料块23的第二端通过一安装板26与拨料块驱动部连接，拨料块驱动部可驱动拨料块23的第一端沿装料槽22向上移动进行拨料。

其中，拨料块驱动部包括螺母27丝杠28副，丝杠28转动设置在一导向槽29内，与设置在导向槽29端部的拨料电机210连接，同时导向槽29上滑动设置一导向块211，导向块211与套设在丝杠28上的螺母27固定连接，而安装板26固定安装在导向块211上，因此拨料电机210驱动丝杠28旋转，进而驱动螺母27和导向块211沿导向槽移动，带动拨料块23的第一端沿装料槽22向上移动。

同时如图7所示，耦合检测组件5包括耦合检测相机51，耦合检测相机51的镜头对准发光元件7的耦合位置。同时，耦合检测相机51滑动设置在一耦合检测导轨52上，并通过平行设置在耦合检测导轨52一侧的皮带驱动机构53驱动。其中，耦合检测导轨52与被检测发光芯片71的激光射线共线设置，使得耦合检测相机51在耦合检测导轨52上位移的过程中始终能接收发光芯片71的激光束。另外，在本实施例中耦合检测相机51为CMOS相机。

CMOS相机接收发光芯片71发射且穿过透镜的激光。检测原理如图8所示，耦合检测相机51沿耦合检测导轨52滑动，调整其相对于发光芯片71及透镜1的距离，通过距离的调整使得CMOS相机在近点检测光斑是否为圆，从而确认透镜1是否摆正(无偏角)，再将CMOS相机移动至远点，检测透镜1的光斑位置相对近点检测时是否改变，从而检测光线的水平度，即透镜1位置是否偏移。相比于固定检测光斑的形式，本发明设置的移动式耦合检测相机51显然检测精度和可靠性更高。

同时如图9所示，视觉检测相机61竖直设置在光器件固定台4的正上方，其镜头朝下对准发光元件7，可以实时图像监测透镜1与发光芯片71的耦合状况。视觉检测相机61设置在一位置调整平台上，位置调整平台包括连接臂62，设置在连接臂62第一端的X轴调整平台63、设置在X轴调整平台63底端的Y轴调整平台64、以及设置在Y轴调整平台64底端的Z轴调整平台65，视觉检测相机61固定设置在连接臂62的第二端，具有沿X轴、沿Y轴和沿Z轴的平移自由度，可灵活调整镜头的对准位置。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，所述透镜由方形部分和从所述方形部分沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分组成，其特征在于，所述设备包括透镜上料组件、透镜夹取组件、光器件固定台、耦合检测组件和视觉检测组件，所述透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将所述透镜上料，所述透镜夹取组件将所述透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至所述光器件固定台上对应的封装位置，与固定在所述光器件固定台上的发光元件的发光芯片耦合，所述耦合检测组件通过光斑检测确认所述透镜与所述发光芯片的耦合精度，所述视觉检测组件的视觉检测相机对准所述发光元件的耦合位置；

所述透镜夹取组件包括多维运动平台和设置在所述多维运动平台上的透镜夹具，所述透镜夹具主要由固定设置在所述多维运动平台上的夹具底座、平行设置在所述夹具底座上的两条导轨，第一端分别滑动设置在两条所述导轨上的两个连接部、以及分别固定设置在两个所述连接部第二端的透镜夹头组成，所述连接部分别通过设置在所述夹具底座上的两个音圈电机驱动。

2.根据权利要求1所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述透镜夹具的连接部包括第一连接板和第二连接板，所述透镜夹头固定安装在所述第一连接板上，所述第一连接板固定安装在所述第二连接板上，所述第二连接板固定设置在一滑块上，所述滑块滑动设置在所述导轨上，所述第二连接板与对应的所述音圈电机的输出端连接；每个所述第二连接板上均设置有一光栅尺，所述光栅尺用于检测所述滑块在所述导轨上的位移量，每个所述第一连接板上均设置有一力传感器，所述力传感器用于检测所述第一连接板上的应力状况。

3.根据权利要求2所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合夹具，其特征在于，所述透镜夹头相对的一侧为夹持面，所述夹持面上设置有夹持所述透镜的夹持口，所述夹持口上设置有多个具有真空吸附作用的微型气孔。

4.根据权利要求3所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合夹具，其特征在于，所述多维运动平台具有六维的运动自由度，包括设置在工作台上的X轴位移平台、设置在所述X轴位移平台上的Y轴位移平台、设置在所述Y轴位移平台上的第一支撑板、设置在所述第一支撑板顶端的Z轴位移平台、设置在所述Z轴位移平台上的绕X轴旋转平台、设置在所述绕X轴旋转平台上的第二支撑板、设置在所述第二支撑板底端的绕Y轴旋转平台、以及设置在所述绕Y轴旋转平台上的绕Z轴旋转平台，所述夹具底座固定设置在所述绕Z轴旋转平台上。

5.根据权利要求1所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述透镜上料组件主要由装料盒和拨料结构组成，所述装料盒的一侧成型有装载所述透镜的装料槽，所述透镜并排地放置于所述装料槽内，并被所述装料盒上设置的限位结构限制在所述装料槽中而防止从所述装料槽的侧面跑出，所述拨料结构包括拨料块和驱动所述拨料块移动的拨料块驱动部，所述拨料块插入所述装料槽中，所述装料槽的底部成型有一内槽，当所述透镜放置在所述装料槽中时，所述镜面部分悬空于所述内槽中。

6.根据权利要求2所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述限位结构包括设置在所述装料槽的槽口两侧的两块限位板，两块所述限位板之间的距离小于所述装料槽以及所述方形部分的宽度，所述限位板的上表面设置为高度沿所述装料槽方向逐渐降低的斜面，所述拨料块设置为扁平状，宽度小于所述装料槽的宽度，所述拨料块的第一端伸入所述装料槽中，第二端通过一安装臂与所述拨料块驱动部连接，所述拨料块驱动部驱动所述拨料块的第一端沿所述装料槽移动。

7.根据权利要求6所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述拨料块驱动部包括螺母丝杠副，所述丝杠转动设置在一导向槽内，与设置在所述导向槽一端的拨料电机连接，所述导向槽上滑动设置有一导向块，所述导向块与套设在所述丝杠上的所述螺母固定连接，所述安装臂固定安装在所述导向块上。

8.根据权利要求1所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述耦合检测组件包括耦合检测相机，所述耦合检测相机的镜头对准所述发光元件的耦合位置，所述耦合检测相机滑动设置在一耦合检测导轨上，并通过平行设置在所述耦合检测导轨一侧的皮带驱动机构驱动。

9.根据权利要求8所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述耦合检测导轨与被检测的所述发光芯片的激光射线共线设置，所述耦合检测相机为CMOS相机。

10.根据权利要求1所述的基于音圈电机驱动的透镜耦合设备，其特征在于，所述视觉检测相机竖直设置在所述光器件固定台的正上方，所述视觉检测相机的镜头朝下对准所述发光元件，所述视觉检测相机设置在一位置调整平台上；所述位置调整平台包括连接臂，设置在所述连接臂第一端的X轴调整平台、设置在所述X轴调整平台底端的Y轴调整平台、以及设置在所述Y轴调整平台底端的Z轴调整平台，所述视觉检测相机固定设置在所述连接臂的第二端。

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